Python進階技巧 (4) — Lambda Function 與 Closure 之謎！
「Lambda 和 closure 是程式語言必學的概念！」
難易度：★★★☆☆
實用度：★★☆☆☆
【導言】
緣於上一篇【文章Python進階技巧 (3) — 神奇又美好的 Decorator ，嗷嗚！】中提到在建構 Decorator 時，會使用到 closure （閉包）的概念，又一般教學都會將 lambda function 和 closure 一起講解，所以這裡也是不免俗的擺在一起解說！
學習的邏輯是，先了解「什麼是 closure」，再學習「什麼是 lambda function」最後再回歸「因為 lambda function 有部份的缺陷所以才需要 closure」。
另外強調一下，這篇與其說是 Python 的教學文，不如說是程式語言的概念詞講解。lambda function 和 closure 這兩個詞是在多數語言上都有的，並不是 Python 或是少數語言特有的，所以這篇文章除了範例 code 外，許多概念性的講解都是可以「大致」套用在其他語言上的！
【本文章節】
- 壹、什麼是 Closure 和 captured variable ?!
- 貳、Captured variables 為什麼好像不能被assign ?
- 參、如何 assign captured variables ?
- 肆、Captured variables 的獨立性
- 伍、什麼是 lambda function ?!
- 陸、Lambda function 使用時機
- 柒、Lambda function 與 closure 的關係 ?!
【開發環境與建議先備知識】
OS Ubuntu 16.04
Python 3.6
Required Knowledge
- First Class Function (一級函數)
- 熟悉 Python scope 以及 life cycle
【壹、什麼是 closure 和 captured variable ?!】
大家請先看一段範例 code：
由上面的例子可以看到，function dog() 裡面還包了一個 profile() 的 function，到目前為止都只是普通的結構，與 closure 沒有關係。在主程式段裡我們先 call dog() function，此時會 return profile() function。（還記得在上一篇文章【Python進階技巧 (3) — 神奇又美好的 Decorator ，嗷嗚！】 中已經提過 ”First-class Function” 的概念，function 是可以被當作參數傳遞的。）
重點來了，在一般認知當中，function 中的 variable 其 life cycle（生命週期）會隨著 function 執行完而消滅。但在例子中，variable height 明明是在 function dog() 的 scope 裡，理論上在 12 行 call 完 dog() 後就要消失，怎麼會在 13行 call dog_profile() (也就是 call profile() 啦)時，還能夠找到 variable height 呢？！原因是出在 return functionprofile 時，function profile 偷偷 capture 住 variable 了，也就是把原本屬於別人上一層的變數偷渡到自己的 function scope ，而被捕捉的 variable 就是 captured variable！而帶有 captured variable 的 function 我們就稱為 closure (function)！
以上就是所謂的 closure ！有「把別人（上一層）的 variable 偷渡關進自己的 function scope」的意思！
【貳、Captured variables 為什麼好像不能被assign ?】
對於在一個 closure 中的 captured variable，我們已經在上面的例子看到能夠讀取其值，但若想要 assign 一個值給 captured variable，直覺上我們會這樣做：
我們會很直覺的以為可以隨意操作 captured variable，但是會噴出掃興的 UnboundLocalError !
這裡的原因有點細，要稍微注意一下。
首先，我們要知道這並不是說在 closure 裡面完全找不到命名為 height 的 variable 記憶體，而是該命名的記憶體位置已經分配好，但值尚未被 assign 進去，竟然就被取值了。如果是完全找不到命名為 height 的 variable 記憶體，應該是噴 NameError: name 'height' is not defined 才對。
接下來就要知道UnboundLocalError 出現的原因了。先瞥除 closure 和 captured variable 不管，一般使用 global 宣告 global variable 時，如果在某個 function 中同樣命名的變數要被 assign 一個值時，其實也會噴一樣的 UnboundLocalError 。舉例來說：
原因是這樣的：在 function scope 裡，variable 如果要被 assign 的話，Python 會自動將 variable 定為 local variable，所以在 x = x + 1 的右邊的 x 因為被 function scope 判定為 local variable 了，而 local variable 裡又找不到命名為 x 的變數所以會找不到！
所以同樣的邏輯套用在 captured variable上，也是因為 function scope 定 variable 為 local variable 而不是 captured variable，所以才會找不到！
所以自始至終，都不是「captured variable 不能被 assign 值」而是「這樣的寫法根本沒有操作到 captured variable」喔！這是很常被誤解的事情，要釐清原因！
【參、如何 assign captured variables ?】
那要怎麼在 function 中 assign 值給 variable 呢？！如果有明白上面解說的話，應該可以很輕易的想到，「那我們就不要操作 local variable 直接操作 captured variable 呀！」沒錯，這就是在 Python 中唯一的辦法，以下給範例：
作法就是：加入第5行的 nonlocal 去宣告我們 variable height 的 scope 就可以去 access 到並進行任意操作了！因為 captured variable 在 Python 中既不是 local 也不是 global 所以只能用 nonlocal 去 access 喔！
【肆、Captured variables 的獨立性】
另外要注意，被 closure 關進的 variable，是獨立的，僅依賴該 function scope，因此對這個 function 裡的 captured variable 做操作，是不會影響其他 function 裡的 captured variable 喔！以下給個簡單範例，展示一下：
舉一隅要能反三隅，上面的範例用了兩層的 closure 來增加一咪咪困難度。
不過重點還是要展示「captured variables 的獨立性」。有沒有注意到儘管 dog_1_grow_up closure 裡的 captured variable height 已經被操作加到 43 ，對於另一個 closure dog_2_grow_up 而言，裡面的 captured variable height 是彼此獨立不相干的！
如果敏銳一點的人應該不難發現，這樣的概念是不是超級無敵像 class 的概念呢？！每一個 return 出的 function 都是 instance，captured variables 就像是裡頭的 instance variable。
沒錯！closure 確實可以拿來做很像 class 的事情，不過這並不常在 Python 中被這樣使用，但像是在 Javascript 中就是這樣被使用的！
Javascript 是 Prototype-based（基於原型）的，因此本身沒有提供真正的 class，所以是利用 closure 的方式去實作像是 class 的東西！更多的說明可以參考別人撰寫的【認識 Lambda/Closure（1）從 JavaScript 的函式物件談起 << 前情】中對 Javascript 的 closure 解說。
【伍、什麼是 lambda function ?!】
Closure 學到這裡告一個段落，此時就你可能會想「阿這個用在哪裡？」回答這個問題之前，必須先引入一個新概念 lambda function（匿名函式）。
什麼是 lambda function ? 以下給一段範例 code ：
範例中第一段展示了如何建立 lambda function， lambda 後放入參數，而冒號 : 後面則接想要 return 的值。範例中第二段展示了將建立好的 lambda function 以一個 variable 存起來，之後再 call function。
沒錯，我想你已經發現（還是其實沒有Q）範例中第二段的 add 最後發揮的效果其實就跟我們平常用的 def add(x) （範例中第三段）是一樣的！！！
lambda function 可以視為所有任意函數的最小單位，所有函數不管參數有幾個，總是可以拆成一個又一個 recursive lambda functions，而這也是多數程式語言中 lambda function 最基礎的概念。以下給出一個用 recursive lambda functions 實作一個普通 function 效果的例子：
不過因為 Python 的設計關係，Python 已經支援兩個參數以上的 lambda function了，不需要寫的這麼複雜。最初程式語言中的 lambda function 是被設計強制只能吃進一個參數，不過後期許多語言都已經加強支援多參數的 lambda function 了。
【陸、Lambda function 使用時機】
那麼這邊就有人會問，阿原本寫 function 的方式為什麼要寫成 lambda?
這就要提一下 lambda function 使用的時機，我個人整理出下列兩種最常見的可能：
- 使用頻率過少，節省記憶體：這個 function 只出現一次或少數次數，有失去宣告為一個 function 的「可重複使用性」之疑慮，採用隨用隨扔的 lambda function。此外有一說是可以節省記憶體空間，但這部份我採保留態度。
- 命名困難或不必要：這個 function 出現次數偏少，且難以命名，不必要命名，或是命名會干擾整個命名空間和規則。
- 炫耀自己可以在一行內把邏輯寫完：顧名思義。
「使用頻率過少」這個應該大家都知道，至於什麼是「命名困難或不必要」，乍聽很難理解，不過這其實大家都常常使用到，最經典的例子就是function max() ，以下展示一下例子：
例子中利用每個 tuple element 中特定 index 作為 sort 大小的依據，這是一個很常見的用法，當中就使用了 lambda function 之回傳作為 argument “key” 的參數。很明顯，儘管這個 lambda function 很常被使用，使用頻率滿高，許多人也不會把它獨立寫成一個 normal function，這就是我所謂的「命名困難或不必要」。
當然是否要寫成 lambda function 是端看當下的情況還有 developer 與 team 的開發習慣，在此就不多加著墨。
【柒、Lambda function 與 closure 的關係 ?!】
為了解釋為何會有 closure 的設計，因此在上面先解說了什麼是 lambda function。行至此處，應該已經不難發現，lambda function 會遇到最大的問題就是如果過程中某個計算結果是很消耗資源，重新計算是非常枉然的，但是 lambda function 又不能儲存當中計算過程的結果。於是就有 closure 的設計出現啦！
Closure 的出現，讓 lambda function 可以捕捉已經做過的計算結果，這樣既可以達到在必要時刻使用 lambda function 又可以儲存某些重要計算結果！
【結語】
這篇文章和以往的文章取向非常不一樣，就像本文一開頭的【導論】中就有提到，這是一篇「程式語言的概念講解」，而不是介紹 Python 中什麼好用的技巧或工具。
這篇的消化必須建立在你對程式語言有一定的了解，對於 life cycle、scope 等概念就沒有加解釋，而且也是建立在有其他程式語言學習經驗（像是 Java、Javascript、Golang 等等），這樣比較有機會可以感受 lambda function 和 closure 在程式語言扮演的重要性與運用，像是： Java 原先沒有 first-class function 但是可以藉由 lambda function 來實作相似的功能等等。
因為 Python 的設計關係，lambda function 和 closure 使用性與重要性除了一些常用的地方外，並沒有那麼大的影響，所以這篇就只能當作是打點程式語言的小基礎囉！
【飯後餐點】
特別感謝阿玉（Jade Chen）校稿斧正本文章。
本文中的所有範例 code 都可以參閱 github source code。
最後附上一些延伸相關資料。
- 認識 Lambda/Closure（1）從 JavaScript 的函式物件談起 << 前情
- 認識 Lambda/Closure（3）Python 對 Lambda/Closure 的支援
- Java 8新語法Lambda
- Golang Closure Example
- Golang 匿名函式與閉包
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